(57)【要約】【課題】発電部の温度を設定温度にまで短時間で上昇させることが可能で、かつ電子機器への電力供給を安定して行える時間を長くすることができる直接型メタノール燃料電池システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置される電解質膜とを含む発電部１と、前記燃料極に供給されるメタノール水溶液が収容された燃料容器２と、前記燃料容器２に補充されるメタノールを収容した補充容器６と、前記発電部１の温度が上昇して設定温度との温度差が減少するに従って、前記燃料容器２内のメタノール水溶液濃度及び前記発電部１の電圧を低下させる濃度・電圧制御機構とを具備することを特徴とする直接型メタノール燃料電池システム。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置される電解質膜とを含む発電部と、
前記燃料極に供給されるメタノール水溶液が収容された燃料容器と、
前記燃料容器に補充されるメタノールを収容した補充容器と、
前記発電部の温度が上昇して設定温度との温度差が減少するに従って、前記燃料容器内のメタノール水溶液濃度及び前記発電部の電圧を低下させる濃度・電圧制御機構と
を具備することを特徴とする直接型メタノール燃料電池システム。
【請求項２】
前記補充容器から前記燃料容器へのメタノール補充量を調整するメタノール補充量調整機構を備え、前記メタノール補充量調整機構は、前記補充容器から前記燃料容器へメタノールが補充されるまでに発電で消費されるメタノール量を推算し、推算量に基づいてメタノール補充量を補正することを特徴とする請求項１記載の直接型メタノール燃料電池システム。
【請求項３】
燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置される電解質膜とを含む発電部を備えた直接型メタノール燃料電池システムの制御方法であって、
前記発電部の温度が上昇して設定温度との温度差が減少するに従って、前記燃料極に供給するメタノール水溶液の濃度と前記発電部の電圧を低下させることを特徴とする直接型メタノール燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
前記メタノール水溶液の濃度制御では、補充までに発電で消費されるメタノール量の推算量を加算してメタノール補充を行うことを特徴とする請求項３記載の直接型メタノール燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型携帯機器など従来は一次電池、二次電池などを駆動用電源としてきた電子機器を長時間駆動することが可能な直接型メタノール燃料電池（DMFC）システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化が進められ多くの情報端末を持ち歩くことが可能となり、あらゆる場所で必要な情報を入手できる社会へと変わりつつある。一方、これらの情報端末では、高速演算処理、無線LAN、マルチメディア再生と豊富な機能が搭載されており、消費電力も増加する傾向にある。このような情報端末を長時間駆動するためには容量の大きな電池が必要となるが、環境問題・安全性の問題などから必要十分な容量を有する電池は開発されておらず、燃料電池への期待は高まりつつある。燃料電池の中でも、メタノールから直接水素イオン（プロトン）を取り出すことによって発電を行う直接型メタノール燃料電池は、燃料であるメタノールのもつエネルギー密度の高さ、改質器が不要で小型化が可能であるなどの点で携帯機器用の電源として多方面への応用の期待が高まりつつある。
【０００３】
直接型メタノール燃料電池は、メタノール燃料と空気を発電部に供給することにより発電を開始するものである。現在の直接型メタノール燃料電池は、発電部で利用される固体高分子電解質膜の材料的な制約から、所定の濃度に制御されたメタノール燃料を燃料極へと供給する必要があり、内部にメタノール燃料を一定量収容する容器を持つものも開示されている。しかし、これまで開示されているような制御された一定濃度のメタノール燃料を供給するだけでは、所定の温度まで発電部の温度を上昇させるのに時間がかかってしまい、電子機器が必要とする電力を安定して供給できる条件が整うまでにかなりの時間を要する課題が残っていた。また、メタノール燃料の濃度調整を最適な制御方法で行わないと燃料消費に過不足が発生し、安定した電力を供給できない、燃料利用効率が低下するなどの課題も生じていた。
【０００４】
発電部の温度を所定の温度まで早く上昇させる方法としては、特許文献１において空気極側に意図的にメタノールを供給する方法が開示されている。しかしこの方法ではメタノールを空気極側に供給するための配管や供給量を制御するための機構が必要となり構造が複雑になる、ユニット全体の大きさが大きくなるなどのおそれがある。さらに、空気極側に直接メタノールを供給した場合の発熱量は多く、所定の温度に制御することは困難となる課題があると考えられる。
【０００５】
特許文献２では、メタノール燃料を事前に暖めて燃料極へと供給する方法が開示されている。しかし、この方法でも燃料加温のための機構が内部に必要となり、やはりユニットが大きくなるおそれがあると考えられる。
【０００６】
さらに、特許文献３には起動時に定常運転時よりも高い濃度の燃料を供給して起動を早める燃料電池の運転方法が開示されている。しかし、この技術の中では起動時から定常運転時までの間については厳密な制御がなされておらず、燃料濃度は発電により自然減少し、（１）燃料濃度を濃く保つだけでは燃料ロスが大きくなってしまう、（２）アノライトタンクの大きさ、消費電力などからあらかじめ初期に投入する燃料濃度を調整しなければならず、濃度制御の柔軟性が少ない、などの課題が残っていた。
【０００７】
また、直接型メタノール燃料電池の発電部は電流を引いた状態の単セルでは0.5V程度の電圧となっており、機器を駆動するためには複数のセルを積層するなどして直列接続を実現し電圧を高めることを行っている。これらの積層した複数のセルの特性がそろっていることは非常に稀で、燃料や空気の配流の不均一からいずれかのセルの性能がどうしても若干低くなる。特許文献３のように定電流密度で出力制御を行うと、発電部の温度が低い状態で無理に多くの電流を取り出すこととなるため、性能の低いセルにおいて転極と呼ばれる電圧の逆転現象が生じ、発電部の電圧が極端に低下する、触媒層から金属イオンが溶出するなどの問題が生じる恐れがある。他方、転極を恐れて低電流で引き続けると燃料利用効率が悪い、昇温に時間がかかるなどの課題も残っている。したがって、起動時の温度の低い状態から定常運転に移行するまでは、セルの転極を防止しながら電流を取り出し、短時間で定常運転に移行するための工夫が必要であった。
【特許文献１】特開平５−３０７９７０号公報
【特許文献２】特開２００４−５５４７４号公報
【特許文献３】特開昭６１−２６９８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、発電部の温度を設定温度にまで短時間で上昇させることが可能で、かつ電子機器への電力供給を安定して行える時間を長くすることができる直接型メタノール燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムは、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置される電解質膜とを含む発電部と、
前記燃料極に供給されるメタノール水溶液が収容された燃料容器と、
前記燃料容器に補充されるメタノールを収容した補充容器と、
前記発電部の温度が上昇して設定温度との温度差が減少するに従って、前記燃料容器内のメタノール水溶液濃度及び前記発電部の電圧を低下させる濃度・電圧制御機構と
を具備することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの制御方法は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置される電解質膜とを含む発電部を備えた直接型メタノール燃料電池システムの制御方法であって、
前記発電部の温度が上昇して設定温度との温度差が減少するに従って、前記燃料極に供給するメタノール水溶液の濃度と前記発電部の電圧を低下させることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、複雑な機構を新たに設置することなく燃料濃度と発電部の電圧を必要に応じて最適に制御することで発電部の温度を所定の温度にまで早く上昇させることが可能であり、電子機器への電力供給を安定して行える時間を長くすることができる直接型メタノール燃料電池システムを提供することができる。また、過不足なく燃料を供給できるため、燃料利用効率を高めることができる。さらに、直接型メタノール燃料電池システムをより効率的に駆動するための制御方法も提供することができる。
【００１２】
ここで、発電部の設定温度とは、燃料電池の運転に最適な温度であり、セル数、電極や電解質膜に使用する材料の種類によって変動し得る。発電部の設定温度は、燃料極触媒及び酸化剤極触媒に白金系触媒を使用し、かつ燃料極、酸化剤極及び電解質膜に含有されるプロトン伝導性材料としてパーフルオロスルホン酸系電解質膜を使用した場合、５０〜７５℃の範囲にすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、起動を早く行うことができ、かつ安定な状態で長時間駆動可能な直接型メタノール燃料電池システム及びその制御方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお説明に用いる図は、本発明の内容を理解するために例示的に示される代表的なものであり、本発明の範囲を制約するものではない。
【００１５】
図１に本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池システムの構成例を示す。
【００１６】
発電部１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）からなる単セルと、燃料や空気を供給するための流路が形成されたセパレータとを、必要な電圧を得るために複数枚積層したもので構成される。膜電極接合体は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置されたプロトン導電性の固体高分子電解質膜とを具備する。燃料極としては、例えば、メタノール燃料から化学反応により水素イオン（プロトン）を取り出すための触媒層を備えるものを挙げることができる。触媒としては、例えば、被毒の少ない白金ルテニウム（ＰｔＲｕ）系の合金金属微粒子が単体、あるいはカーボン微粉末に担持された形で利用される。空気極側に用いられる触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）微粒子が単体あるいはカーボン微粉末に担持される形で用いられる。固体高分子電解質膜としては、高プロトン伝導性を有するため、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜（例えば、ナフィオン（登録商標）膜）などが適用可能である。
【００１７】
複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）から形成された発電部１の一例を図４及び図５に示す。図４に示すように、プロトン導電性膜２０の一方側の面に、燃料極触媒層２１及び燃料極拡散層２２が形成されている。プロトン導電性膜２０の反対側の面には、空気極触媒層２３及び空気極拡散層２４が形成されている。得られた膜電極接合体（ＭＥＡ）２５の燃料極拡散層２２には、燃料極用流路２６が形成されたセパレータ２７が近接して配置されている。図５に示すように、セパレータ２７に形成された燃料極用流路２６は、サーペンタイン型で、一端が燃料供給口２６ａとして機能し、他端が燃料排出口２６ｂとして機能する。また、膜電極接合体（ＭＥＡ）２５の空気極拡散層２４には、空気極用流路２８が形成されたセパレータ２９が近接して配置されている。空気極用流路２８も前述した図5に示すようなサーペンタイン型で、一端が空気供給口として機能し、他端が空気排出口として機能する。両面にセパレータ２７，２９が配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２５が複数積層されて発電部１が構成されている。なお、この図４、図５のように複数の膜電極接合体をセパレータを介して積層することにより発電部を構成する際には、片面に流路が形成されたセパレータの代わりに、一方の面に燃料極流路が形成され、かつ他方の面に空気極流路が形成されたセパレータを使用することができる。
【００１８】
燃料容器２には、メタノール水溶液が収容されている。この燃料容器２の供給口２ａは、燃料供給管３を介して発電部１の燃料供給口１ａに接続されている。燃料ポンプ４は燃料供給管３に設けられている。発電部１の燃料排出口１ｂと、燃料容器２の回収口２ｂとは、燃料回収管５を介して接続されている。
【００１９】
補充容器としての高濃度メタノールタンク６は、燃料容器２の燃料補充口２ｃに燃料補充管７を介して接続されている。燃料補充ポンプ８は、燃料補充管７に設けられている。高濃度メタノールタンク６には、燃料容器２内のメタノール水溶液よりも高濃度のメタノール水溶液か、純メタノールが収容されている。
【００２０】
燃料極に供給するメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するための濃度センサー９は、例えば図１に示すように、燃料容器２内に設置することが可能である。濃度センサー９の検出結果を信号処理し電気的に読み取ることによりメタノール濃度を制御することが可能となる。メタノール濃度センサーとしては、光学的な屈折率を利用したもの、静電容量を利用したもの、超音波方式のもの、密度を測定する方式のもの、電気化学的にメタノールの酸化電流を検出する方式のものなど種々の方式のものを利用することが可能である。
【００２１】
図１においては、濃度センサー９を燃料収容容器内部に配置したが、供給口２ａ、燃料供給管３、あるいは燃料供給管３から分岐した分岐管に設置することも可能である。
【００２２】
また、発電部１の温度はサーミスターや熱電対などの温度センサー１０によって測定される。温度センサー１０による計測箇所は、複数のＭＥＡを備えた発電部の場合、発電部の高さ方向（ＭＥＡの積層方向）の中央付近の位置に最も近いセパレータの厚さ方向の中央部の温度を計測することが望ましい。
【００２３】
発電部１の空気取り入れ口１ｃには、空気ポンプ１１が空気供給管１２を介して接続されている。発電部１の排気口１ｄには、凝縮器１３が配管１４を介して接続されている。排気口１ｄから排出される空気には、発電反応により生じた水分が混入しており、凝縮器１３で冷却することで液体に戻して気体から分離し、分離した水を配管１５から燃料回収管５に回収している。本発明の場合、内部にこのような水回収機構を有している方が好ましい。現在用いられている固体高分子電解質膜の材料的な制約から、通常発電部には数％から１０％程度までの濃度のメタノール水溶液を送ることが好ましく、内部で水を回収し再利用する機構を有することは、高濃度メタノールタンク６内部のメタノール濃度を高められ、低濃度のメタノール水溶液を収容し同一時間駆動する場合と比べてタンクの大きさを小型化することができるため好ましい。一方、残った空気は、排気管１６から外部に放出される。
【００２４】
濃度・電圧制御機構は、温度センサ１０により測定された発電部１の温度と発電部１の設定温度との温度差が減少するに従って、燃料容器２内のメタノール水溶液濃度及び発電部１の設定電圧を低下させる機能を有するものである。濃度・電圧制御機構は、モニター・制御回路１７と、制御ソフトウェア１８と、回路部１９とを備えるものである。
【００２５】
モニター・制御回路１７には、濃度センサー９及び温度センサー１０が接続されており、これらセンサー９，１０による測定結果はモニター・制御回路１７にて信号処理される。制御ソフトウェア１８は、モニター回路１７から得られる情報を処理するとともに必要な制御信号を制御回路１７へと与えることを行う。制御ソフトウェア１８では、温度センサー１０による測定温度と、定常運転に移行した際の発電部の運転温度（設定温度）とを比較し、この温度差から制御すべき現在のメタノール水溶液濃度及び電圧を算出する。算出結果は、モニター・制御回路１７に送信される。燃料容器２内のメタノール水溶液濃度は、発電に伴いメタノールが消費されるために徐々に低下するが、濃度低下が濃度センサー９によって検出されると、モニター・制御回路１７から信号が送信され、高濃度メタノールタンク６から燃料補充ポンプ８によって燃料容器２にメタノールの補充が行われる。
【００２６】
回路部１９は、発電部１の電圧及び電流をモニターする。モニター結果は、モニター・制御回路１７に送信されて信号処理される。モニター・制御回路１７では、現在の電圧値と、制御ソフトウェア１８にて算出された制御すべき電圧値とを比較し、両者が異なっている場合に回路部１９に信号を送り、回路部１９において設定電圧を変更する。
【００２７】
上記燃料電池システムの動作について説明する。
【００２８】
燃料容器２内のメタノール水溶液を燃料ポンプ４を駆動して燃料供給管３から発電部１の燃料供給口１ａに供給する。また、空気ポンプ１１を駆動して空気供給管１２から発電部１の空気取り入れ口１ｃに、空気を供給する。これにより、発電反応が生じる。
【００２９】
発電で未使用のメタノールを含む液体成分は、発電部１の燃料排出口１ｂから排出され、燃料回収管５を通して燃料容器２の回収口２ｂから燃料容器２内に回収される。一方、発電で未使用の空気を含むガス成分は、発電部１の排気口１ｄから配管１４を通して凝縮器１３に供給され、冷却される。これにより、ガス成分に混入していた水を液体に戻して気体から分離することができる。分離した水は、配管１５から燃料回収管５に送られ、燃料容器２内に回収される。気体の方は、排気管１６から外部に放出される。
【００３０】
本発明の第1の特徴は、発電部１の温度を測定しながら燃料容器２内部のメタノール濃度を発電部１の温度に連動して制御することにある。制御方法を模式的に示したのが図２である。最終的にメタノール運転濃度（設定濃度）をＣ、発電部１の運転温度（設定温度）をＴに制御したいと考える場合、起動前の温度Ｔsは運転温度Ｔよりも通常低いため、発電部１の温度を現在の温度ＴsからＴまで上昇させなければならない。この温度差（Ｔ−Ｔs）が大きい場合に、発熱を促進させるため、メタノール濃度をＣよりも意図的に高い濃度Ｃsに制御するのである。すなわち、ΔＴ（Ｔ−Ｔs）が大きくなるにつれてΔＣ（Ｃs−Ｃ）を大きくするというものである。ΔＣの制御方法は図２に示したようにΔＴに関連して変化しておればよく、（１）に示す比例関係以外にも、（２）段階的に変化させる、（３）ある関数に従って変化させるなど適当な方法を利用することができる。
【００３１】
また、発電部１の温度に対応するメタノール濃度Ｃsの値は、一定の値に維持しても良いが、ある狭い濃度範囲内で変動させてもよい。具体的には、温度センサー１０によって発電部１の温度を測定し、その測定温度と設定温度の差から制御すべきメタノール濃度Ｃsを制御ソフトウェア１８で計算し、モニター・制御回路１７に電気信号を送信する。濃度センサー９が燃料容器２内のメタノール水溶液濃度の低下を検知すると、モニター・制御回路１７から信号が送信され、高濃度メタノールタンク６から必要量のメタノールが燃料補充ポンプ８によって燃料補充管７を通して燃料容器２の燃料補充口２ｃに補充され、制御濃度がＣｓまで上昇される。
【００３２】
このように、低温でより高濃度のメタノール燃料を発電部に供給することによって、カソードへのメタノールクロスオーバーを促進することができ、カソード側でメタノールを燃焼させることができ、発電部の昇温を助ける役割を果たすことができる。これによって、より早く発電部の温度が上昇して必要な電力をとれるまでの時間を短縮することができる。また、温度が上昇してきた場合、濃度を高いままに維持しておくと温度が上昇しすぎてしまい、発電部の材料にダメージを与え結果として発電部材の寿命を短くするおそれがある。
【００３３】
よって、想定外に燃料の補充量が多すぎて所望の設定濃度Ｃｓよりも高くなりすぎて発電部１の温度が上昇してきた際には、一定時間高濃度メタノール燃料の補充を停止して発電による自然減少を待つ他に、凝縮器１３の回収能力を一時的に高め（凝縮器１３への送風量を増やすなど）回収水を増やし希釈させる方法を採用することができる。これにより、クロスオーバでカソードが受けるダメージを軽減することができる。
【００３４】
さらに、起動を早めると同時に複数のセル（ＭＥＡ）が積層された発電部（スタック）の中で性能が低いセル（ＭＥＡ）の転極を保護する方法として、起動時から定常運転までの温度範囲で発電部の温度の上昇にしたがって設定電圧を徐々に低下させる。発電部の温度が上昇するとともに各セル内部の触媒の活性が高まり、発電部では同一の電圧でも低温のときと比べて取り出せる電流量は増加する。したがって、発電部の運転を定電圧で制御し、温度上昇とともにその設定電圧を徐々に下げていくことにより発電部から取り出す電流を増やすことが可能となる。発電部からの取り出し電流量が増加すると発熱量は増大し、これによって発電部の温度が上昇するため、メタノール水溶液濃度の減少による発電部の温度低下を回避することができる。
【００３５】
さらに、電圧の制御による電流増加による発熱を期待することができるため、起動時のメタノール水溶液濃度と定常運転時のメタノール水溶液濃度との濃度差が小さくても短時間で設定温度まで上昇させることができ、燃料の利用効率を高くすることができる。
【００３６】
また、メタノール燃料の濃度調整を行う際、メタノール補充の時間間隔が長くなると、単に現在の測定された濃度と目標の濃度の差分のメタノールを補充するだけでは、濃度の精密な制御が難しくなる恐れがある。濃度の精密な制御を行うためには、以下の図３に例示されるメタノール濃度Ｃsの制御方法を採用することが望ましい。
【００３７】
前述した図２に示したように、発電部の温度に対応したメタノール濃度の燃料を発電部へと供給するわけであるが、実際には設定した濃度と現在の濃度との間には乖離が発生する。濃度の乖離が大きくなると、低濃度の場合は発電状態を維持できなくなりシステムが停止する、高濃度の場合は余剰のメタノールがカソード側へとクロスオーバーして発電部の温度が上昇してしまい、発電部材料にダメージを与えるなどシステムとして機能しなくなるおそれがある。通常、設定した濃度に対して不足するメタノールを供給することが一般的には行われるが、本発明の特徴は、それ以外に過去の所定時間の間に消費されたメタノール量を発電部の発電量から推定して、補充するメタノール量を補正するメタノール補充量調整機構を具備するところにある。すなわち、最初に発電部の温度をセンサーにより測定し（工程Ｓ１）、それに対応する設定メタノール濃度を例えば制御ソフトウェアにて算出する（工程Ｓ２）。現在のメタノール濃度は、燃料収容容器あるいは燃料極への配管かその支流に設置された濃度センサーにより測定ができる（工程Ｓ３）。濃度センサーにより測定された燃料のメタノール濃度が設定濃度よりも高い場合は、一定時間高濃度メタノールの供給を停止する（工程Ｓ４）。もし濃度センサーによって測定された現在の濃度が設定濃度よりも低い場合、高濃度メタノール収容容器からメタノールを補充する制御を行う。
【００３８】
まず、現在のメタノール不足量Ｍ１として、例えばＭ１(g)＝（設定濃度(g/L)−検出濃度(g/L)）×燃料収容容器容積（mL）／1000（mL/L）  などと計算できる（工程Ｓ５）。さらに、過去１分間の発電部の平均出力(W)を算出する（工程Ｓ６）。補充までの一定時間に発電のために消費されるであろうメタノール量Ｍ２は、例えばＭ２(g)＝燃料消費係数（g／Wh）／60(min/h)×過去１分間の発電部出力(W)などと計算できる（工程Ｓ７）。この計算値、Ｍ１＋Ｍ２のメタノールを高濃度メタノール収容容器からポンプなどで補充することによって（工程Ｓ８）、燃料濃度を所定の値に維持しながら発電を続けることが可能となる。従来はＭ１のみを算出して補充を行うことが多かったが、発電部の出力が大きい場合、一定の時間の間に消費されるメタノール量が多くなり、Ｍ１分だけの補充では燃料濃度を所定の値に保つことが不可能となることが考えられ、本発明のように発電部の出力から補充量を補正して供給することで、より安定した直接型メタノール燃料電池システムの駆動が可能となるのである。
【００３９】
なお、メタノール補充量調整機構は、例えば１回の動作で送液できる液体の量が正確な定量補充ポンプなどを用い、その動作回数を制御ソフトウエア１８と制御回路１７を使用して可変して補充するなどの方法を使用することが可能である。
【００４０】
[実施例]
以下、本発明の理解を容易にするため実施例を用いて詳細に説明する。
【００４１】
（実施例１）
燃料極用触媒として白金−ルテニウム（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）微粒子合金が担持されたカーボンブラックに、パーフルオロスルホン酸溶液とイオン交換水を添加し、この触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。燃料極集電体として撥水処理をしたカーボンペーパーを準備し、その上に前述のペーストを塗布・乾燥させ触媒層を形成することにより燃料極を得た。
【００４２】
空気極用触媒として白金（Ｐｔ）微粒子が担持されたカーボンブラックに、パーフルオロスルホン酸溶液とイオン交換水を添加し、触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。空気極集電体として撥水処理済みカーボンペーパーを準備し、その上に前述のペーストを塗布した後、乾燥させ触媒層を形成することで空気極を得た。
【００４３】
燃料極触媒層と空気極触媒層の間に、電解質膜としてパーフルオロスルホン酸膜を配置し、これらをホットプレスすることで接合を行い、膜電極接合体を得た。一方の面に燃料極用流路が形成され、かつ他方の面に空気極用の流路が形成されたカーボン製のセパレータで膜電極接合体をはさみ、これらを１５枚積層して発電部とした。
【００４４】
図１と同様の燃料電池システムを構築し、燃料濃度は燃料収容容器から少量の燃料をポンプにより濃度センサーに送液し測定を行った。発電部の目標運転温度を６０℃、運転濃度を1.0mol/Lと設定し、電子負荷器により定電圧モードに設定して発電試験を行った。室温（２５℃）から６０℃までの間の温度における濃度設定・設定電圧を以下の表１の通りとした。それぞれの温度範囲での濃度制御には図３に示す制御方法を利用した。発電部の温度はおよそ２０分で所望の定常運転温度６０℃まで上昇し、短時間のうちに定常状態に入ることができた。燃料濃度は、プラスマイナス0.2mol/Lの範囲で制御することができた。短時間のうちに定常状態に入ることができ、かつ燃料濃度の変化を小さく抑えることができたため、温度・出力とも安定して発電することができた。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
（実施例２）
設定温度・設定電圧は実施例１と同様としたが、濃度制御は図３に示す方法を使わず、単に燃料容器内の濃度と設定濃度の差分の必要メタノールを補充するのみの方法とした。
【００４７】
瞬間的には設定濃度から0.4mol/L以上ずれることがあり、燃料濃度がやや不安定に推移した。起動時間は３０分程度と実施例１よりもやや長い時間を要した。
【００４８】
（実施例３）
２０枚の膜電極接合体（ＭＥＡ）を積層した発電部を有する直接型メタノール燃料電池を用意し、発電部の目標運転温度を５５℃、運転濃度を0.9mol/Lと設定し、電子負荷器により定電圧モードに設定して発電試験を行った。室温（２５℃）から５５℃までの間の温度における濃度設定・設定電圧を以下の表２の通りとした。それぞれの温度範囲での濃度制御には図３に示す制御方法を利用した。発電部の温度はおよそ１８分で５５℃まで上昇した。燃料濃度は、プラスマイナス0.2mol/Lの範囲で制御することができた。短時間のうちに定常状態に入ることができ、かつ燃料濃度の変化を小さく抑えることができたため、温度・出力とも安定して発電することができた。
【００４９】
【表２】
2006286239.tif 000004
【００５０】
（比較例１）
設定濃度を全温度範囲で1.0mol/Lに固定した以外は実施例１と同様の方法で燃料電池を運転した。目標温度６０℃に達するまでおよそ４０分と実施例１、２よりも長い時間を必要とした。燃料濃度は、プラスマイナス0.2mol/Lの範囲で制御することができた。
【００５１】
（比較例２）
設定電圧を全温度範囲で６．５Ｖ一定とした以外は実施例１と同様の方法で燃料電池を運転した。目標温度６０℃に達するまでおよそ４５分と実施例１、２よりも長い時間を必要とした。燃料濃度は、プラスマイナス0.2mol/Lの範囲で制御することができた。
【００５２】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池システムを示す構成図。
【図２】図1の直接型メタノール燃料電池システムにおける、設定温度と測定温度との温度差と、現在の設定濃度と最終濃度との濃度差との関係を示す特性図。
【図３】図1の直接型メタノール燃料電池システムにおけるメタノール補充量の補正方法を説明したフローチャート図。
【図４】図1の直接型メタノール燃料電池システムの発電部の一例を示す模式図。
【図５】図４の発電部に用いられるセパレータを模式的に示した平面図。
【符号の説明】
【００５４】
１…発電部、１ａ…燃料供給口、１ｂ…燃料排出口、１ｃ…空気取り入れ口、１ｄ…排気口、２…燃料容器、２ａ…供給口、２ｂ…回収口、２ｃ…燃料補充口、３…燃料供給管、４…燃料ポンプ、５…燃料回収管、６…高濃度メタノールタンク、７…燃料補充管、８…燃料補充ポンプ、９…濃度センサー、１０…温度センサー、１１…空気ポンプ、１２…空気供給管、１３…凝縮器、１４，１５…配管、１６…排気管、１７…モニター・制御回路、１８…制御ソフトウェア、１９…回路部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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